理学療法科学 17(4): ,2002 研究論文 静的および動的荷重位における足内側縦アーチの動きと機能 Changes and Functions of the Medial Longitudinal Arch during Static and Dynamic Loading 中村浩

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1 理学療法科学 17(4): ,2002 研究論文 静的および動的荷重位における足内側縦アーチの動きと機能 Changes and Functions of the Medial Longitudinal Arch during Static and Dynamic Loading 中村浩 1) 加倉井周一 1) HIROSHI NAKAMURA, MS, PT 1), SHUICHI KAKURAI, PhD, MD 1) 1) Department of Rehabilitation, Graduate School of Medical Sciences, Kitasato University: Kitasato, Sagamihara city, Kanagawa , Japan. TEL Rigakuryoho Kagaku 17(4): , Submitted June 12, Accepted Aug. 23, ABSTRACT: There is little research evidence concerning the dynamic function of the foot arch. We described the characteristics of the medial longitudinal arch (MLA) in 34 healthy subjects using a six-camera Vicon motion analysis system while they were sitting, supported and non-supported single-limb standing, and during walking. We also measured the length of the MLA in nine men using an electro arch gauge (EAG) during walking. The results showed that the maximum increase of the MLA during the stance of walking was influenced by the vertical components of ground reaction force. We confirmed the MLA as a dynamic structure, which provides the capacity to absorb some of the increased shock and propulsive balance during walking. Key words: medial longitudinal arch, three-dimensional analysis, electro arch gauge, dynamic function 要旨 : 足アーチに関する研究では動的変化の特徴を明らかにすることが重要であるが, その解析は未だ十分ではない 健常男女 34 名を対象に3 次元動作解析装置 (Vicon) を用いて, 内側縦アーチ (MLA) の坐位, つかまり片脚立位, 片脚立位および歩行における変化を明らかにした そのうちの男性 9 名に電気アーチ測定器 (EAG) を装着し, 歩行におけるMLAの長さ変化を計測した その結果,MLAの動的変化は床反力の鉛直分力の影響を受けており, 足アーチが人の動きや歩きかたを特徴づける重要な機能因子として, 衝撃の吸収, 推進 バランス作用を合目的に調整する機能を有することが確認された キーワード : 内側縦アーチ,3 次元動作解析装置, アーチ測定器 (EAG), 動的機能 1) 北里大学大学院医療系研究科臨床医科学群リハビリテーション医学専攻 : 神奈川県相模原市北里 ( ) TEL 受付日 2002 年 6 月 12 日受理日 2002 年 8 月 23 日

2 254 理学療法科学第 17 巻 4 号 I. はじめに ヒトの歩行を特徴付けているものに足のアーチ構造がある 足アーチを支える構造は骨, 関節包 靱帯による保守的な支持と筋による自主的な支持がある 1) その中で内側縦アーチ (Medial longitudinal arch, 以下 MLA) は比較的伸縮性に富む組織であり, 歩行に際し十分体を支えるとともに荷重による衝撃を吸収することで凹凸の地面にも良く適合することから臨床上の重要な意義をもつ 2) MLA の静的な支持機構について, 梅木 3) は靱帯や骨などの構築学的因子と下腿 足部筋群の活動などの機能的因子が複雑に関与していると報告した また, 鈴木 4) は体重ほどの圧がかかってもアーチの保持には靱帯や足底腱膜だけで十分であり, 荷重が大きくなって, はじめて筋がアーチ保持に参加すると述べた 一方,Kayano 5) は歩行における MLA の動的機能について自らが考案した電気アーチ測定器 (Electro Arch Gauge, 以下 EAG) により検討し, 立脚期の変化には体重, 下腿 足部筋群および足底腱膜による巻き上げ現象 6) の関与が重要であると報告した また,Cashmere ら 7) は MLA の静的および動的な機能因子を検討し, 静的評価より歩行における変化を予測することは困難であると指摘した この研究の目的は MLA の静的および動的変化を各種計測装置をもって定量的に解析し, これらに関与する機能因子を明らかにすることである 図 1 MLA の計測パラメータ (a) と電気アーチ測定器 (b) II. 対象と方法 足部に骨折や捻挫の既往がない健康な成人男女 34 名 ( 男性 18 名, 女性 16 名 ) を対象とした 被験者の平均年齢は 26.6 歳 (20~33 歳 ), 平均体重は 57.4 kg(43~75 kg) であった MLA の計測には 6 台の赤外線カメラ ( サンプリング周期は 60 Hz) と床反力計 (Kistler 9281,Kistler JAPAN) で構成された 3 次元動作解析装置 Vicon370 (Oxford Metrics, UK) および MLA の長さ測定装置である EAG を使用した EAG の信頼性については, これまでの多くの研究で電気学的および X 線学的に確認された 3,5,15) 直径 8 mm の反射マーカーを左足の内果, 舟状骨結節, 踵骨内側面, 第 1 中足骨頭および第 1 基節骨のそれぞれの皮膚面上に貼付し,MLA の計測パラメータを以下のように定義した 1) 長さは踵骨内側面と第 1 中足骨頭を結んだ線の距離,2) 高さは舟状骨結節より MLA の長さ線分に降ろした垂線の距離,3) 舟状骨上角 9) は内果, 舟状骨結節および第 1 中足骨頭の 3 点がなす角,4) 第 1 中足趾節 (1st metatarsalphalangeal, 以下 MTP) 関節背屈角は舟状骨 結節, 第 1 中足骨頭および第 1 基節骨の 3 点がなす角とした ( 図 1a) また,2 つの計測装置による MLA の長さ変化を比較するため, 全例のうち男性 9 名の左足内側面に EAG を固定した ( 図 1b) 実験条件は, まず坐位における計測を基準値とした 坐位姿勢は足底全体を静かに床に置き, 膝関節 90 度屈曲位, 足関節は底背屈中間位, 足部内外反中間位とし, この肢位を 10 秒間保持させた 次に, 左足の片脚立位で, つかまり支持がある場合 ( つかまり片脚立位 ) とない場合 ( 片脚立位 ) の肢位を 10 秒間保持させた その後, 床反力計の設置された約 6 m の歩行路を裸足で被験者の自然な速度にて歩行させた 各条件において 5~10 回の計測を行い, それぞれの平均値を算定して MLA の 4 つの計測パラメータが基準値 ( 坐位 ) に対してどれくらい変化したか百分率で表した 立脚周期の確認は床反力鉛直分力より接踵 (Heel Contact, 以下 HC) から離床 (Toe Off, 以下 TO) を立脚期の 0~100% とし, 全足底接地 (Foot Flat, 以下 FF) は第 1 中足骨頭マーカーの垂直座標が最小となる時期, 踵離床 (Heel Off, 以下 HO) は踵骨内側面マーカー

3 静的および動的荷重位における足内側縦アーチの動きと機能 255 の垂直座標が最小値より増加しはじめる時期と定義した 記録された床反力の前後分力, 左右分力および鉛直分力を数値化するために, それぞれの分力に 3 つの測定点 X1, X0, X2, Y1, Y0, Y2, Z1, Z0, Z2 を定め, 立脚期全体を 100% とし, それぞれの測定点が HC より何 % の時点で出現したか調べた X は前後分力であり,X1 は制動期のピーク,X2 は駆動期のピーク,X0 は制動期から駆動期への転換時期を表した Y は側方分力であり,Y1 は制動期のピーク,Y2 は駆動期のピーク,Y0 は制動期から駆動期への転換時期を表した Z は鉛直分力であり,Z1 は制動期のピーク,Z2 は駆動期のピーク,Z0 は制動期から駆動期への転換時期を表した このようにして算出された床反力測定点の出現時期をそれぞれ T(X1),T(X0),T(X2),T(Y1), T(Y0),T(Y2),T(Z1),T(Z0),T(Z2) と定義した 10) MLA の長さ, 高さ, 舟状骨上角および第 1MTP 関節背屈角を分析し, これらの変化と床反力測定点の出現時期との関係を調べた 統計手法は一元配置分散分析および Pearson の相関係数を用い, 解析には統計解析用ソフト SPSS 8.0J を使用して 5% 未満の危険率を有意水準とした III. 結果 1. 静的荷重位における MLA の変化坐位を基準値として, つかまり片脚立位と片脚立位を比較すると,MLA の長さは片脚立位で有意に短くなった (p<0.001) これらの肢位の間において MLA の高さおよび舟状骨上角では有意な差はなかった また, 第 1MTP 関節背屈角は, つかまり片脚立位に比べ片脚立位で有意に減少した (p<0.01) 2. 歩行における MLA の変化 Vicon および EAG の計測による歩行立脚期における MLA の長さ変化を図 2 に示した 図中の実線は平均値, 点線は 1 標準偏差の範囲を示す Vicon と EAG による MLA の長さ変化では同様なパターンを呈し,HC 後に急速に伸張され FF 後に最大となる変曲点 (Lmax) がみられた その後, 徐々に短縮して HO 後の立脚期終末で急速に短縮し TO 時に最も短縮した 立脚期における変化がどの程度であるかを調べるために最大値と最小値の差を変化量とした Vicon による全例の長さ変化量の平均値は 6.7±1.3% (10.6±2.1 mm) であった EAG による男性 9 例の長さ変化量の平均値は 4.2±1.7%(6.6±2.7 mm) であった Vicon による MLA の長さ変化量と比較すると 9 例とも有意に小さくなった (p<0.01) そこで, これら計測装置の基準値 図 2 歩行におけるMLAの長さ変化 (a;viconによる計測 n=34,b;eagによる計測 n=9) に対する MLA の伸張量と短縮量の関係を調べた Vicon による MLA の伸張量の平均値は 1.9±0.3%(3.2±0.04 mm), 短縮量の平均値は 4.3±1.2%(7.2±1.2 mm) であり,EAG では, それぞれ 3.0±1.1%( 4.6±1.7 mm),1.2±1.5%(1.9 ±1.0 mm) であった 伸張量の程度は Vicon による計測で有意に小さく (p<0.05), 短縮量は有意に大きくなった (p<0.001) Vicon では相関係数 となり負の相関関係が認められ,MLA の伸張量が大きい場合には短縮量が小さくなる傾向を示した ( 図 3) すなわち,Vicon による計測において,MLA の長さ変化は短縮する傾向が大きかったが, 個体間の違いをみると, 短縮量と伸張量は, どちらかが有意となる関係が認められた EAG の伸張量と短縮量の間には相関係数 となり相関関係は認められなかった 歩行における MLA の高さ, 舟状骨上角および第 1MTP 関節背屈角の変化を図 4 に示した MLA の高さ変化は HC 時に基準値とほぼ等しく, 徐々に低下して HO 後の立脚期終末に最小となる変曲点 (Hmin) がみられ, その後, 急速に高くなり TO 時に最高となった 全例の高さ変化量の平均値は 33.9±14.8%(7.5±2.5 mm) であった 舟状骨

4 256 理学療法科学第 17 巻 4 号 図 3 歩行における MLA 長の伸張量と短縮量の相関関係 (Vicon による計測 n=34) 上角の変化は MLA の高さ変化と同様なパターンがみられた HC 時から徐々に減少し HO 後の立脚期終末に最小となる変曲点 (Nmin) を呈し, その後, 急速に増大して TO 時に最大となった 全例の坐位時の平均角度は 152.3± 7.6 であり, 立脚期における舟状骨上角の変化量の平均値は 11.2±3.1%(16.9±4.3 ) であった 第 1MTP 関節背屈角の変化は HC 時に軽度の背屈を呈し, その後, 急速に底屈平坦となり HO 後の立脚期終末で急激に背屈位となった 全例における第 1MTP 関節背屈角の変化量の平均値は 373.4±228.0%(43.2±7.5 ) であった 3. 歩行におけるMLA 形態変化の出現時期と床反力および立脚周期時間との関係 MLAの歩行立脚期における変化がどの時期に出現したかを調べるため, それぞれの変曲点 Lmax,Hmin,Nmin の時間を立脚期に対する百分率で表したものを T (Lmax),T(Hmin),T(Nmin) と定義し, 全例の平均値を算出した これらの出現時期と床反力の各分力の出現時期およびFFとHOの出現時期との関係を男女別に示した ( 表 1) それぞれの平均値の男女間には有意な差はなかった MLAが最大に伸張される時期は, 立脚期開始から約 23 % 経過した時期に起こっていた このT(Lmax) と床反力鉛直分力の制動期のピーク出現時期 T(Z1) との関係を調べた結果,T(Lmax) とT(Z1) 間には危険率 5% にて有意な差は認められなかった すなわち,MLAの長さが最大伸張される時期は床反力鉛直分力の制動期のピーク出現時期と時間的に関係していた MLAの高さおよび舟状骨上角が最も低下するのは立脚期開始から約 75% 経過した時期に起こっていた これらT(Hmin),T(Nmin) および床反力鉛直分力駆動期のピーク出現時期 T(Z2) の 図 4 歩行における MLA の高さ, 舟状骨上角および第 1MTP 関節背屈角の変化 (Vicon による計測 n=34) 関係を調べた結果,T(Nmin) と T(Z2) および T(Hmin) と T(Nmin) の間には危険率 5% にて有意差は認められなかった すなわち, 舟状骨上角が最小となる時期は床反力鉛直分力の制動期のピーク出現時期と時間的に関係していた また, 舟状骨上角が最小となる時期は MLA の高さが最小となる時期と時間的に関係していた IV. 考察 1. 静的荷重位における MLA の変化 MLA の長さ変化は, つかまり片脚立位に比べて片脚立位で有意に短縮した つかまり支持が得られない片脚立位では身体バランスを調整するために下腿 足部筋群が

5 静的および動的荷重位における足内側縦アーチの動きと機能 257 表 1 歩行におけるMLAの形態変化の出現時期と床反力, 歩行周期時間との関係 男性 (%) 女性 (%) 全例 (%) n=18 n=16 n=34 立脚初期 T (Lmax) 23.3 ± ± ± 2.7 T (X1) 15.5 ± ± ± 2.1 T (Y1) 22.1 ± ± ± 5.3 T (Z1) 21.2 ± ± ± 2.8 T (FF) 18.5 ± ± ± 3.3 立脚中期 T (X0) 52.6 ± ± ± 3.9 T (Y0) 50.9 ± ± ± 6.3 T (Z0) 47.5 ± ± ± 3.8 T (HO) 60.5 ± ± ± 5.8 立脚後期 T (Hmin) 77.3 ± ± ± 9.6 T (Nmin) 74.9 ± ± ± 5.8 T (X2) 86.9 ± ± ± 2.4 T (Y2) 76.6 ± ± ± 5.2 T (Z2) 77.1 ± ± ± 3.2 数値は平均 ± 標準偏差を示し, 立脚時間全体を 100% としたときの接踵からの経過時間の比率を表す 活動し 3),MLA が短縮したものと考える また, 第 1MTP 関節背屈角の変化は, つかまり片脚立位に比べ片脚立位で有意に減少しており, 片脚立位における身体バランスの調整には第 1MTP 関節を支点とした第 1 列の運動が影響しているものと考える 2. 歩行における MLA の変化 Kayano 5) は MLA の動的変化を EAG により計測し, 歩行立脚期における変化は二峰性のパターンを呈する 4 期に分けることができるとした すなわち,HC 後に MLA が急速に伸びて FF 時に最長となる第一伸張期, 続いて HO 時まで続く第一短縮期,HO 後は僅かに伸張のみられる第二伸張期を経て TO 時直前に急速に短くなる第二短縮期である 第一伸張期の変化は足部にかかる体重によって MLA が単純に伸張されたものであるが, 第一短縮期の変化は単に抜重効果によるだけではなく MLA の短縮には足趾屈筋群の収縮が大きく関与している 更に, 第二伸張期では体重は前足部へ移動し,MLA には下腿三頭筋による強力な伸展力が加わり, これに対抗した足趾屈筋群の収縮力により, この時期の変化が生じるものとした TO 時直前の急速な短縮については Hicks 6) の述べた巻き上げ現 象が大きく関与している 今回の 3 次元動作解析装置 (Vicon) および EAG による計測でみられた MLA の歩行立脚期における変化では,HC 後に急速に伸張すると FF 後, 徐々に短縮して HO 後の第二伸張期が起こらないで急速に短縮する一峰性のパターンを示す例が多かった これまでの 3 次元動作解析装置を用いた MLA の長さ計測実験においても同様な一峰性のパターンが報告されている 7,13) このような MLA の長さ変化のパターンに違いがみられたことは, 踵骨内側面における EAG の固定位置の問題 5) が指摘されているが, 踵骨内側面に貼付した反射マーカーの位置の問題も考えられる また, 立脚期の HC 後にみられる踵骨の内外反運動により MLA の長さが変化することも報告されており 13), 特に, 第二伸張期の有無については下腿 足部筋群の活動も含めた詳細な検討が必要と考える EAG による計測では伸張量が有意に大きく短縮量が有意に小さくなった 特に, 短縮の程度が有意に小さくなったことは, 前述した踵骨の内外反運動により短縮量に制限が起こったものと考える EAG は MLA の長さ変化を直線的に捉えて計測する 1 軸型装置であることから前額面上の内外反運動により得られた MLA の長さ変化に対応できず, 計測結果が過小評価されてしまった可能性も否定できない 一方,Vicon による計測では短縮量が伸張量の 2 倍程度であり, また, 個体間では伸張量が大きい場合は短縮量が小さくなる傾向が示された 筆者らは歩行と走行における MLA の長さ変化を計測し, 歩行では短縮量が, 走行では伸張量が相対的に大きくなることを報告した 8) これらのことより MLA の動的な機能としては, 歩行における荷重量や衝撃の吸収と前方への推進性を高める機能を有し, 歩行様式や歩行スピードの違いにより MLA の伸張量と短縮量が合目的に調整され円滑な歩行が行われていると考える 宮原 9) は健常者の歩行時足底圧分布を調べ,MLA の短縮の程度が小さい場合は第 1 中足骨頭部に, 大きい場合は第 2, 3 中足骨頭に圧が集中するタイプに分類できるとし, 圧分布の様式は同一個体内でも各施行のたびに変化したと述べた また, Matsusaka 12) は床反力側方分力が大きいときは歩隔が大きくなり, 立脚前期の距骨下関節の外がえしと立脚後期の内がえしは小さいとし, 歩行における側方バランスの制御メカニズムを明らかにした このように, 正常歩行においても個体間はもとより個体内での機能的なバリエーションが存在し, このバリエーションに MLA が大きく関与していると考える 歩行における MLA の高さ変化量は全例の平均が 7.5 mm(sd=2.5) と僅かであったが, 立脚期におけるパターンは特徴的な変化を示していた Nigg ら 14) は静的な状態

6 258 理学療法科学第 17 巻 4 号 での MLA の高さ計測からは足部の動的な変化を予測することができないと述べており, 特に, 今回の立脚期終末における MLA の長さの短縮に伴った高さの増加という反比例的な関係においては, 巻き上げ現象としての MLA の重要な機能が示され,MLA を含めた足アーチの動的計測の必要性が示唆された また,Norkin ら 10) は静止立位において舟状骨上角と MLA の高さには相関関係があるとしており, 今回も歩行立脚期全般において同様な関係がみられたことから舟状骨上角が MLA の有用な機能因子であることが分かった 藤田ら 15) は平地歩行にみられる立脚後期の MTP 関節の働きについて, 足趾屈筋群は積極的には push off に関与せず, 足底腱膜が緊張して MLA を高め, 巻き上げ現象 6) により roll off として働くと述べている 平地歩行での MTP 関節の機能はあくまで補助的なものであり, 主に MLA を安定化させ,TO 時までの床接地の維持に関与していると考える また, 今回の実験では, 多くの被験者で HC 時に第 1MTP 関節の背屈が確認された このことは,HC 時直後から足底腱膜の巻き上げ作用を働かせることで MLA が衝撃の吸収に寄与したものと考える 3. 歩行における MLA 形態変化の出現時期と床反力および立脚周期時間との関係 MLA が最大に伸張される時期 T(Lmax) は立脚期開始から約 23% 経過したときに起こっており, この出現時期と床反力鉛直分力の制動期ピーク出現時期 T(Z1) は時間的に関係していた MLA の伸張には床反力の鉛直分力が影響し, 荷重により MLA が伸張することで荷重量の吸収が行われているものと考える 舟状骨上角が最小となる出現時期 T(Nmin) は立脚期開始から約 75% 経過したときに起こっており, 床反力鉛直分力の駆動期ピーク出現時期 T(Z2) と時間的に関係していた 舟状骨上角の減少は床反力鉛直分力の影響を受けており, 歩行の円滑な推進性に関与しているものと考える また,T(Nmin) は T(Hmin) とは時間的に関係していおり, 歩行におけ るMLAの高さの低下は舟状骨上角の減少として表されることが判明した 今後は両者の関連性を調べることで動的な足アーチの機能を詳細に検討したい 引用文献 1) 水野祥太郎 : ヒトの足この謎にみちたもの. 創元社, 東京,1992,pp ) 鈴木良平 : 歩行と足. 整形外科,1988,39: ) 梅木義臣 : 足内側アーチの静力学的研究. 日整会誌,1991, 65: ) 鈴木良平 : 足のバイオメカニクスと歩行解析. 日整会誌, 1987,61: ) Kayano J: Dynamic function of medial foot arch. 日整会誌,1986, 60: ) Hicks JH: The mechanics of the foot. II, The plantar aponeurosis and the arch. J Anat, 1954, 88: ) Cashmere T, Smith R, Hunt A: Medial longitudinal arch of the foot, Stationary versus walking measures. Foot Ankle Int, 1999, 20: ) 中村浩, 加倉井周一 : 歩行及び走行における足内側縦アーチの動的機能. 靴の医学,2000,14(2): ) 宮原健次 : 圧力分布測定器で測定した正常成人における歩行時の足底圧分布. 日整会誌,1993,67: ) Norkin CC, Levangie PK: Joint structure and function. FA Davis, New York, 1983, pp ) 野口雅夫 : 小児期における歩行の発達 床反力から見た小児歩行の特徴. 日整会誌,1986,60: ) Matsusaka N: Control of the medial-lateral balance in walking. Acta Orthop Scand, 1986, 57: ) Hoshino T, Inokuchi S, Usami N, et al.: Measurement of medial longitudinal arch of the foot in walking. 日本臨床バイオメカニクス学会誌,1998,19: ) Nigg BM, Cole GK, Nachbauer W: Effects of arch height of the foot on angular motion of the lower extremities in running. J Biomech, 1993, 26: ) 藤田雅章, 松坂誠応, 千葉剛次 他 : 平地歩行時の足 MP 関節の運動と役割について. 整形外科バイオメカニクス,1981, 3:69-71.

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